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1、无线传感器网络一氧化碳气体监测节点设计 摘要 为了随时了解煤矿的空气质量状况，设计了一种基于无线传感器网络一氧化碳监测系统。由无线传感器网络及GPRS网络组成的CO质量监测系统可以实现远程实时数据采集。大量的传感器节点部署在监测区域，负责采集CO信息，再经GPRS网络传送到与Intemet网络相连的远端监控中心；工作人员通过对接收的数据进行分析，及时发布相应信息，为煤矿安全提供依据。ZigBee技术是近几年兴起的一种短距离无线通信标准，在无线传感器网络有自身独特的优势，因此基于ZigBee的气体浓度监测系统应运而生。以煤田火区一氧化碳气体检测为背景，设计实现基于ZigBee气体浓度监测系统，主
2、要工作有以下方面:(l)研究了ZigBee协议标准，以及协议框架。(2)根据具体环境，给出气体浓度监测系统总体结构设计和网络拓扑结构。(3)选择主要器件和开发平台，完成终端节点的硬件设计，实现了数据采集模块、无线发送模块、电源供电模块。(4)研究了ZigBee精简协议栈，完成终端节点及协调器应用程序。(5)在IRM环境下，完成基于节点软件设计，实现了相应等功能。(6)对气体浓度监测系统进行实验性的测试，给出测试结果。通过对气体浓度监测系统的设计实现与运行测试，基本达到了设计要求，充分体现了ZigBee技术在监控领域的优势。此外，论文还设计了传感器网络节点的硬件电路：包括无线收发模块和扩展模块。
3、论文对所设计的层次型无线传感器网络进行了实验，对实验结果进行了分析。实验结果表明：网络能够成功实现拓扑结构的建立，并且使数据按照所设计的机制进行传输，到达了预期的设计目标。关键词：无线传感器网络；GPRS；一氧化碳；检测系统；ZigBee；Design of Carbon Monoxide monitoring node based on WSNAbstract In order to enable us to keep abreast of coal mine quality,co monitoring systems based on the wireless sensor network
4、s is designed. From wireless sensor networks and GPRS network of carbon monoxide monitoring system can bring about long-distance real-time data collection from a large number of sensor nodes deployed in the region to monitor for the acquisition of carbon mono- xide information,via GPRS networks to d
5、eliver the information tothe far-monitoring centre which conn-ected the Internet the staff through the analysis of the data which were received and published timely it information, provide the basis for urban planning. Passed the test of the system, the system is work- ing well. The main contents an
6、d conclusions are as follows.ZigBee is a kind of standard that emerges in recent years as short distance wireless communieation technical,and hasits own unique superiority when it is applied In the wireless sensor network.Therefore the Gas Density Monitoring system based onZigBee emerged as the time
7、s require. The paper designed and implemented the system based on ZigBee against a backdrop of sme- elter.The main work is as follows:1.studied the zigBee protocol standards and framework2.designed of the over all structure of the Gas Density Monitoring system and network topology depe- nd on specif
8、ic environmental of smelter.3.Chose the main chiP and development Platform,comPleted the hard ware design of the terminal n- ode, realized the AD converter module,a wireless sendingModule,power supply module.4.Stodied the reduced ZigBee stack,complete the design of software of the terminal nodes and
9、 coor- dinator.5.Completed the software of PC一monitoring,which had some functions such as serial port settings, threshold value settings,data base proeessing,dynamic chart s and so on,based on MFC in VC6.0 d- evelopment environment.6.Tested the concentration of gas monitoring system and gave the res
10、ults.The system had met the basic design goal and reflected ZigBee technology own Unique superiority when it was applied in monitoring area through the design and test of the concentration gas of monitoring system base ZigBee. In addition to this，the circuit for the node was designed:including wirel
11、ess module and expanding module.The experiment was carded out and the experimental results were also analysed.The results show that the designing has reached the expected target.The network could form the topology configuration successfully and the data Can be transmitted in the light of the routing
12、 mechanism designed.Key words： wireless sensor networks；GPRS；carbon monoxide；monitoring system； ZigBee； 目录第一章 绪论11.1 研究背景11.2 研究目的与意义21.3 研究内容21.3.1论文介绍21.3.2 论文组织2第二章 气体检测总体方案32.1 气体检测原理32.1.1 一氧化碳传感器工作原理32.1.2 ZigBee技术32.1.3 无线传感器网络的相关技术72.2 系统整体结构设计82.2.1 相关要求82.2.2 系统总体设计8第三章 气体检测节点的硬件设计103.1 节点
13、组成103.2 节点的硬件设计103.2.1 传感器节点硬件设计103.2.2 汇聚节点硬件设计15第四章 气体检测节点软件设计174.1 软件结构图174.2 模块的软件设计174.2.1 数据采集模块174.2.2 数据发送到汇聚节点194.2.3 汇聚节点对数据的接收204.2.4 传感器节点的软件设计214.2.5 汇聚节点软件设计22第五章 结论与展望255.1 总结255.2 展望25参考文献：26致 谢27第一章 绪论1.1 研究背景国内无线传感器网络的研究历程及发展趋势我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究首次正式出现于1999 年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的“信
14、息与自动化领域研究报告”中，作为该领域提出的五个重大项目之一。山东省科学院于2004 年10 月启动了关于无线传感器网络节点操作系统的研究；煤炭科学研究总院重庆研究院研发的GTH500(B)型一氧化碳传感器。该检测仪主要用于监测煤矿井下环境气体中一氧化碳的浓度，能在具有瓦斯或煤尘爆炸等危险恶劣的环境中对煤的自燃等各种内、外因造成的火灾实现就地监测和遥测。它采用高性能进口电化学原理的气体传感器7E/F(英国CITY)，在整个硬件软件设计中，采取多种抗干扰措施，满足国家相关标准的电磁兼容要求，具有性能稳定、测量精度高、响应速度快、故障自检、结构坚固、易使用易维护等特点。北京市朝阳区一氧化碳预警系统
15、是国内气体传感器检测气体的一个物联网的特例。该系统通过在房屋内安装监控探测器和无线传输模块3万只，对空气中的一氧化碳浓度进行24小时实时监控。2010年春节期间，各监控中心共收到一氧化碳浓度超标报警信息194例，所有报警全部按照既定流程进行了及时处置，通过防手段减少人防工作量，提高对一氧化碳中毒事件的防控水平，有效确保了百生安居乐业、社会安全稳定。煤炭科学研究总院重庆研究院研发的GTH500(B)型一氧化碳传感器。该检测仪主要用于监测煤矿井下环境气体中一氧化碳的浓度，能在具有瓦斯或煤尘爆炸等危险恶劣的环境中对煤的自燃等各种内、外因造成的火灾实现就地监测和遥测。它采用高性能进口电化学原理的气体传
16、感器7E/F(英国CITY)，在整个硬件软件设计中，采取多种抗干扰措施，满足国家相关标准的电磁兼容要求，具有性能稳定、测量精度高、响应速度快、故障自检、结构坚固、易使用易维护等特点。国外在气体检测仪的研究主要集中在气体传感器的气敏材料的创新以及复合气体采集的实现上。气体检测仪做成便携式的和固定式的两种。现在的气体检测仪多集中于气体传感器阵列电子鼻系统，可检测多种气体。日本费加罗公司发明的TGS系列半导体式气体传感器优良的长期稳定性和可靠性以在全世界获得广泛确认。美国英思科公司是全球知名的设计制造和销售工业级便携式和固定式有毒有害气体检测仪的专业公司。Industrial Scientific已成
